JP7507394B2 - Laser Processing Head - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに関するものである。 The present invention relates to a laser processing head.

従来より、高出力なレーザビームによって、加工ヘッド内の光学素子が加熱して歪むことで熱レンズ効果が生じ、焦点位置の変化が発生することが知られている(例えば、特許文献1参照)。 It has been known for some time that a high-power laser beam can heat and distort the optical elements in the processing head, causing a thermal lens effect and resulting in a change in the focal position (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1には、ウェッジ面と平面とを有する第1及び第2光学部材を備え、第1及び第2光学部材のウェッジ面同士を向かい合わせに配置して、第1及び第2光学部材を相対的に平面に平行に移動させるようにした構成が開示されている。これにより、光束が透過する第1光学部材と第2光学部材の厚さの比を調整して、熱レンズ効果を補正するようにしている。 Patent Document 1 discloses a configuration that includes first and second optical members having a wedge surface and a flat surface, with the wedge surfaces of the first and second optical members arranged to face each other, and the first and second optical members moved relatively parallel to the flat surface. This adjusts the ratio of the thicknesses of the first and second optical members through which the light beam passes, thereby compensating for the thermal lens effect.

特許第5099599号公報Patent No. 5099599

ところで、特許文献1の発明では、第1及び第2光学部材にウェッジ面を形成する必要があることから、部品の加工コストが増大するという問題がある。 However, the invention of Patent Document 1 requires the formation of wedge surfaces on the first and second optical members, which increases the cost of processing the parts.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、熱レンズ効果による集光位置の変動を抑えることにある。 The present invention was made in consideration of these points, and its purpose is to suppress fluctuations in the focusing position caused by the thermal lens effect with a relatively simple configuration.

第1の発明は、伝送ファイバから入射されるレーザ光をワークに出射するレーザ加工ヘッドであって、前記伝送ファイバよりも出射側に配置され、光軸方向に沿って並ぶ複数の光学部材を備え、前記複数の光学部材は、屈折率温度係数が正の材料で形成された第1光学部材と、屈折率温度係数が負の材料で形成された第2光学部材とを含み、前記第2光学部材は、両面がそれぞれ平坦面に形成され、
前記光学部材の識別番号i、該光学部材の光吸収率p、該光学部材の屈折率温度係数Δn、該光学部材の厚みt、該光学部材の表面における前記レーザ光の集光半径R、集光位置変動量Δdが、Δd∝p×Δn×t/R +・・・+p×Δn×t/R 且つΔd≦0という条件を満たすことを特徴とする。
A first invention is a laser processing head that outputs laser light incident from a transmission fiber to a workpiece, the laser processing head including a plurality of optical members arranged on the output side of the transmission fiber and aligned along an optical axis direction, the plurality of optical members including a first optical member formed of a material having a positive refractive index temperature coefficient and a second optical member formed of a material having a negative refractive index temperature coefficient, the second optical member having flat surfaces on both sides,
The optical element is characterized in that the identification number i of the optical element, the light absorptance p i of the optical element, the refractive index temperature coefficient Δn i of the optical element, the thickness t i of the optical element, the focusing radius R i of the laser light on the surface of the optical element, and the focusing position fluctuation Δd satisfy the conditions Δd∝p 1 ×Δn 1 ×t 1 /R 1 2 + ... +p i ×Δn i ×t i /R i 2 and Δd≦0.

第1の発明では、第1光学部材は、屈折率温度係数が正の材料で形成される。第2光学部材は、屈折率温度係数が負の材料で形成される。第2光学部材の両面は、それぞれ平坦面に形成される。集光位置変動量Δdは、上述した条件を満たすように設定される。 In the first invention, the first optical member is formed of a material with a positive refractive index temperature coefficient. The second optical member is formed of a material with a negative refractive index temperature coefficient. Both surfaces of the second optical member are formed to be flat. The light focusing position variation amount Δd is set to satisfy the above-mentioned condition.

これにより、比較的簡単な構成で、熱レンズ効果による集光位置の変動を抑えることができる。 This makes it possible to suppress fluctuations in the focusing position caused by the thermal lens effect with a relatively simple configuration.

具体的に、屈折率温度係数Δnは、Δn=dn/dTで表される。nは屈折率、Tは温度である。屈折率温度係数が正の材料は、温度上昇とともに屈折率が大きくなる材料であり、例えば、合成石英を用いることができる。また、屈折率温度係数が負の材料とは、温度上昇とともに屈折率が小さくなる材料であり、例えば、水晶を用いることができる。 Specifically, the refractive index temperature coefficient Δn is expressed as Δn = dn/dT, where n is the refractive index and T is the temperature. A material with a positive refractive index temperature coefficient is a material whose refractive index increases with increasing temperature, and for example, synthetic quartz can be used. A material with a negative refractive index temperature coefficient is a material whose refractive index decreases with increasing temperature, and for example, quartz can be used.

ここで、第1光学部材及び第2光学部材を光軸方向に沿って並べることで、第1光学部材で発生する正の熱レンズ効果を、第2光学部材で発生する負の熱レンズ効果で打ち消すことができる。これにより、レーザ光の集光位置の変動を抑えることができる。 Here, by arranging the first optical member and the second optical member along the optical axis direction, the positive thermal lens effect generated in the first optical member can be cancelled out by the negative thermal lens effect generated in the second optical member. This makes it possible to suppress fluctuations in the focusing position of the laser light.

また、第2光学部材として、両面が平坦面に形成されたプレート形状の部品を用いるようにしたから、第2光学部材の表面に複雑な加工を施す必要が無く、部品コストを低減することができる。 In addition, because the second optical member is a plate-shaped component with flat surfaces on both sides, there is no need to perform complex processing on the surface of the second optical member, which reduces component costs.

また、集光位置変動量Δdのパラメータの1つである光吸収率pは、例えば、光学部材に汚れが付着した場合に大きくなる。つまり、光吸収率pは、時間経過とともに大きくなる傾向にある。そのため、集光位置変動量Δdは、初期状態において、Δd≦0となるように設定するのが好ましい。 In addition, the light absorptance p i , which is one of the parameters of the light-focusing position fluctuation amount Δd, increases when, for example, dirt adheres to an optical member. In other words, the light absorptance p i tends to increase over time. Therefore, it is preferable to set the light-focusing position fluctuation amount Δd so that Δd≦0 in the initial state.

なお、レーザ光の集光位置が光学部材側に移動した状態を、集光位置変動量Δdが正であるとする。レーザ光の集光位置がワーク側に移動した状態を、集光位置変動量Δdが負であるとする。 When the focusing position of the laser light has moved toward the optical element, the focusing position fluctuation amount Δd is considered to be positive.When the focusing position of the laser light has moved toward the workpiece, the focusing position fluctuation amount Δd is considered to be negative.

第2の発明は、第1の発明において、前記第2光学部材は、水晶で形成されることを特徴とする。 The second invention is the first invention, characterized in that the second optical member is made of quartz crystal.

第2の発明では、第2光学部材を水晶で形成することで、第2光学部材の屈折率温度係数が負となるようにしている。水晶は、一般的に高価な材料であるため、両面が平坦面に形成されたプレート形状の第2光学部材を用いることで、部品の加工コストを低減することができる。 In the second invention, the second optical member is made of quartz, so that the refractive index temperature coefficient of the second optical member is negative. Quartz is generally an expensive material, so by using a plate-shaped second optical member with flat surfaces on both sides, the processing costs of the parts can be reduced.

第3の発明は、第1又は2の発明において、前記第1光学部材の数は、前記第2光学部材の数よりも多いことを特徴とする。 The third invention is characterized in that in the first or second invention, the number of the first optical members is greater than the number of the second optical members.

第3の発明では、第1光学部材の数を、第2光学部材の数よりも多くしている。ここで、屈折率温度係数が正な材料として、例えば、合成石英を用いることができる。また、屈折率温度係数が負の材料として、例えば、水晶を用いることができる。そのため、高価な材料である水晶で形成された第2光学部材の数を少なくして、コスト削減を図ることができる。 In the third invention, the number of first optical members is greater than the number of second optical members. Here, for example, synthetic quartz can be used as a material with a positive refractive index temperature coefficient. Also, for example, quartz can be used as a material with a negative refractive index temperature coefficient. Therefore, the number of second optical members made of quartz, which is an expensive material, can be reduced, thereby reducing costs.

第4の発明は、第1乃至3の発明のうち何れか1つにおいて、前記第2光学部材を光軸方向に移動させる位置調整部を備えたことを特徴とする。 The fourth invention is any one of the first to third inventions, characterized in that it is provided with a position adjustment unit that moves the second optical member in the optical axis direction.

第4の発明では、位置調整部によって、第2光学部材を光軸方向に移動させることで、第2光学部材の表面におけるレーザ光の集光半径を変更することができる。具体的には、第2光学部材の表面におけるレーザ光の集光半径Rが小さくなる方向に、第2光学部材を移動させればよい。 In the fourth aspect of the present invention, the position adjustment unit moves the second optical member in the optical axis direction, thereby changing the focusing radius of the laser light on the surface of the second optical member. Specifically, the second optical member is moved in a direction in which the focusing radius R i of the laser light on the surface of the second optical member becomes smaller.

このように、集光位置変動量Δdのパラメータの1つである集光半径Rを小さくすることで、第2光学部材の集光位置変動量を負の方向に大きくすることができる。これにより、複数の光学部材においてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値を負の値とすることができる。 In this way, by reducing the focusing radius R i , which is one of the parameters of the focusing position variation Δd, the focusing position variation of the second optical member can be increased in the negative direction, whereby the sum of the focusing position variations calculated for each of the multiple optical members can be made a negative value.

本発明によれば、比較的簡単な構成で、熱レンズ効果による集光位置の変動を抑えることができる。 The present invention makes it possible to suppress fluctuations in the focusing position caused by the thermal lens effect with a relatively simple configuration.

本実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a laser processing device according to an embodiment of the present invention. 第3シールドガラスを第2光学部材で構成したときの、各光学部材のパラメータを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing parameters of each optical member when the third shield glass is formed of the second optical member. 第1光学部材及び第2光学部材にレーザ光を出射した場合の集光位置差を示すグラフ図である。11 is a graph showing a difference in focusing position when laser light is emitted to a first optical member and a second optical member. FIG. 本変形例1において、第2シールドガラスを第2光学部材で構成したときの、各光学部材のパラメータを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing parameters of each optical member when the second shield glass is formed of the second optical member in the present modification example 1. 本変形例2において、第1シールドガラスを第2光学部材で構成したときの、各光学部材のパラメータを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing parameters of each optical member when the first shield glass is formed of the second optical member in the present modified example 2.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that the following description of the preferred embodiment is essentially merely illustrative and is not intended to limit the present invention, its applications, or its uses.

図1に示すように、レーザ加工装置10は、レーザ発振器11と、レーザ加工ヘッド20と、制御部15とを備える。 As shown in FIG. 1, the laser processing device 10 includes a laser oscillator 11, a laser processing head 20, and a control unit 15.

レーザ発振器11は、制御部15からの指令に基づいて、レーザ光Lを出力する。レーザ発振器11とレーザ加工ヘッド20とは、伝送ファイバ12で接続される。レーザ光Lは、伝送ファイバ12を介して、レーザ発振器11からレーザ加工ヘッド20に伝送される。レーザ加工ヘッド20は、伝送ファイバ12から入射されるレーザ光LをワークWに出射する
制御部15は、レーザ発振器11やレーザ加工ヘッド20の動作を制御する。制御部15は、レーザ加工ヘッド20の移動速度の他に、レーザ光Lの出力開始や停止、レーザ光Lの出力強度などを制御する機能も備える。
The laser oscillator 11 outputs laser light L based on a command from the control unit 15. The laser oscillator 11 and the laser processing head 20 are connected by a transmission fiber 12. The laser light L is transmitted from the laser oscillator 11 to the laser processing head 20 via the transmission fiber 12. The laser processing head 20 emits the laser light L incident from the transmission fiber 12 to the workpiece W. The control unit 15 controls the operation of the laser oscillator 11 and the laser processing head 20. The control unit 15 has a function of controlling the moving speed of the laser processing head 20 as well as the start and stop of output of the laser light L, the output intensity of the laser light L, etc.

レーザ加工ヘッド20は、図示しないロボットに取り付けられており、制御部15からの指令に基づいて、レーザ光LをワークWで結像する。レーザ加工ヘッド20は、光軸方向に並ぶ複数の光学部材を有する。複数の光学部材は、第1シールドガラス21と、コリメータレンズ22と、フォーカスレンズ23と、第2シールドガラス24と、第3シールドガラス25とを含む。 The laser processing head 20 is attached to a robot (not shown) and focuses the laser light L on the workpiece W based on commands from the control unit 15. The laser processing head 20 has multiple optical members aligned in the optical axis direction. The multiple optical members include a first shield glass 21, a collimator lens 22, a focus lens 23, a second shield glass 24, and a third shield glass 25.

レーザ加工ヘッド20の内部には、レーザ光Lの出射方向の上流側から順に、第1シールドガラス21と、コリメータレンズ22と、フォーカスレンズ23と、第2シールドガラス24と、第3シールドガラス25とが配置される。 Inside the laser processing head 20, a first shield glass 21, a collimator lens 22, a focus lens 23, a second shield glass 24, and a third shield glass 25 are arranged in this order from the upstream side in the emission direction of the laser light L.

第1シールドガラス21は、伝送ファイバ12の出射側に配置される。第1シールドガラス21は、両面が平坦面に形成されたプレート形状の部材で構成される。第1シールドガラス21は、レーザ加工ヘッド20の内部に粉塵が侵入するのを防止する。第1シールドガラス21には、反射防止膜としてのARコーティングが施されている。 The first shielding glass 21 is disposed on the output side of the transmission fiber 12. The first shielding glass 21 is composed of a plate-shaped member with flat surfaces on both sides. The first shielding glass 21 prevents dust from entering the inside of the laser processing head 20. The first shielding glass 21 is coated with an AR coating as an anti-reflection film.

コリメータレンズ22は、伝送ファイバ12の出射端から出射されたレーザ光Lを平行化する。コリメータレンズ22には、反射防止膜としてのARコーティングが施されている。 The collimator lens 22 collimates the laser light L emitted from the output end of the transmission fiber 12. The collimator lens 22 is coated with an AR coating as an anti-reflection film.

フォーカスレンズ23は、コリメータレンズ22で平行化されたレーザ光Lを集光する。フォーカスレンズ23には、反射防止膜としてのARコーティングが施されている。フォーカスレンズ23で集光されたレーザ光Lは、第2シールドガラス24及び第3シールドガラス25を透過して、ワークWに出射される。 The focus lens 23 focuses the laser light L collimated by the collimator lens 22. The focus lens 23 is coated with an AR coating as an anti-reflection film. The laser light L focused by the focus lens 23 passes through the second shield glass 24 and the third shield glass 25 and is emitted to the workpiece W.

第2シールドガラス24及び第3シールドガラス25は、ワークWとフォーカスレンズ23との間に配置される。第2シールドガラス24及び第3シールドガラス25は、ワークWのレーザ加工時に発生するヒュームやスパッタがフォーカスレンズ23に付着しないように、フォーカスレンズ23を保護している。第2シールドガラス24及び第3シールドガラス25は、両面が平坦面に形成されたプレート形状の部材で構成される。第2シールドガラス24及び第3シールドガラス25には、反射防止膜としてのARコーティングが施されている。 The second shield glass 24 and the third shield glass 25 are disposed between the workpiece W and the focus lens 23. The second shield glass 24 and the third shield glass 25 protect the focus lens 23 so that fumes and spatters generated during laser processing of the workpiece W do not adhere to the focus lens 23. The second shield glass 24 and the third shield glass 25 are composed of plate-shaped members with flat surfaces on both sides. The second shield glass 24 and the third shield glass 25 are coated with an AR coating as an anti-reflection film.

レーザ加工ヘッド20は、第1位置調整部31、第2位置調整部32、及び第3位置調整部33を有する。第1位置調整部31は、第1シールドガラス21を光軸方向に移動させる。第2位置調整部32は、第2シールドガラス24を光軸方向に移動させる。第3位置調整部33は、第3シールドガラス25を光軸方向に移動させる。 The laser processing head 20 has a first position adjustment unit 31, a second position adjustment unit 32, and a third position adjustment unit 33. The first position adjustment unit 31 moves the first shield glass 21 in the optical axis direction. The second position adjustment unit 32 moves the second shield glass 24 in the optical axis direction. The third position adjustment unit 33 moves the third shield glass 25 in the optical axis direction.

第1位置調整部31、第2位置調整部32、及び第3位置調整部33は、制御部15からの指令に基づいて、第1シールドガラス21、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25の位置を調整する。 The first position adjustment unit 31, the second position adjustment unit 32, and the third position adjustment unit 33 adjust the positions of the first shield glass 21, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 based on instructions from the control unit 15.

ところで、レーザ光Lが高出力(例えば、4000W)になると、レーザ加工ヘッド20内の光学部材が加熱して歪むことで熱レンズ効果が生じ、焦点位置の変化(いわゆる焦点シフト)が発生する。 However, when the laser light L has a high output (e.g., 4000 W), the optical components inside the laser processing head 20 heat up and distort, causing a thermal lens effect and resulting in a change in the focal position (so-called focal shift).

そこで、本実施形態では、レーザ加工ヘッド20の内部に配置された複数の光学部材の材質を工夫することで、熱レンズ効果による集光位置の変動を抑えるようにした。 Therefore, in this embodiment, the materials of the multiple optical components arranged inside the laser processing head 20 are devised to suppress fluctuations in the focusing position due to the thermal lens effect.

複数の光学部材は、第1光学部材と、第2光学部材とを含む。第1光学部材は、屈折率温度係数が正の材料で形成される。第2光学部材は、屈折率温度係数が負の材料で形成される。 The plurality of optical members include a first optical member and a second optical member. The first optical member is formed of a material with a positive refractive index temperature coefficient. The second optical member is formed of a material with a negative refractive index temperature coefficient.

具体的に、屈折率温度係数Δnは、Δn=dn/dTで表される。nは屈折率、Tは温度である。屈折率温度係数が正の材料は、温度上昇とともに屈折率が大きくなる材料であり、例えば、合成石英を用いることができる。また、屈折率温度係数が負の材料とは、温度上昇とともに屈折率が小さくなる材料であり、例えば、水晶を用いることができる。 Specifically, the refractive index temperature coefficient Δn is expressed as Δn = dn/dT, where n is the refractive index and T is the temperature. A material with a positive refractive index temperature coefficient is a material whose refractive index increases with increasing temperature, and for example, synthetic quartz can be used. A material with a negative refractive index temperature coefficient is a material whose refractive index decreases with increasing temperature, and for example, quartz can be used.

図1に示す例では、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第2シールドガラス24が第1光学部材で構成される。第3シールドガラス25が第2光学部材で構成される。 In the example shown in FIG. 1, the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the second shield glass 24 are made up of the first optical member. The third shield glass 25 is made up of the second optical member.

第3シールドガラス25は、水晶で形成される。水晶は、一般的に高価な材料であるため、両面が平坦面に形成されたプレート形状の第2光学部材を用いることで、部品の加工コストを低減することができる。 The third shield glass 25 is made of quartz. Quartz is generally an expensive material, so by using a plate-shaped second optical member with flat surfaces on both sides, the processing costs of the component can be reduced.

また、本実施形態では、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第2シールドガラス24を第1光学部材で構成し、第3シールドガラス25を第2光学部材で構成している。つまり、第1光学部材の数を、第2光学部材の数よりも多くしている。そのため、高価な材料である水晶で形成された第2光学部材の数を少なくして、コスト削減を図ることができる。 In addition, in this embodiment, the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the second shield glass 24 are made of the first optical member, and the third shield glass 25 is made of the second optical member. In other words, the number of first optical members is greater than the number of second optical members. Therefore, the number of second optical members made of quartz, which is an expensive material, can be reduced, thereby reducing costs.

本実施形態では、レーザ光Lの出射方向の上流側から順に、光学部材の識別番号iを付与している。具体的に、第1シールドガラス21の識別番号を「1」、コリメータレンズ22の識別番号を「2」、フォーカスレンズ23の識別番号を「3」、第2シールドガラス24の識別番号を「4」、第3シールドガラス25の識別番号を「5」とする。 In this embodiment, the optical members are assigned identification numbers i in order from the upstream side in the emission direction of the laser light L. Specifically, the identification number of the first shield glass 21 is "1", the identification number of the collimator lens 22 is "2", the identification number of the focus lens 23 is "3", the identification number of the second shield glass 24 is "4", and the identification number of the third shield glass 25 is "5".

ここで、光学部材の識別番号i、光学部材の光吸収率p、光学部材の屈折率温度係数Δn、光学部材の厚みt、光学部材の表面におけるレーザ光の集光半径R、集光位置変動量Δdは、下記の(1)式を満たすように設定される。なお、レーザ光Lの集光半径Rは、光学部材の上面における集光半径とする。 Here, the identification number i of the optical member, the light absorptance p i of the optical member, the refractive index temperature coefficient Δn i of the optical member, the thickness t i of the optical member, the focusing radius R i of the laser light on the surface of the optical member, and the focusing position fluctuation amount Δd are set to satisfy the following formula (1): Note that the focusing radius R i of the laser light L is the focusing radius on the upper surface of the optical member.

Δd∝p×Δn×t/R +・・・+p×Δn×t/R 且つΔd≦0 ・・・(1)
本実施形態では、5つの光学部材(第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25)を有する。そのため、(1)式は、以下の(2)式となる。
Δd∝p1 × Δn1 × t1 / R12 + ...+ p1 × Δn1 × t1 / Ri2 and Δd≦0... (1)
In this embodiment, five optical members (a first shield glass 21, a collimator lens 22, a focus lens 23, a second shield glass 24, and a third shield glass 25) are included. Therefore, formula (1) becomes formula (2) below.

Δd∝p×Δn×t/R +p×Δn×t/R +p×Δn×t/R +p×Δn×t/R +p×Δn×t/R 且つΔd≦0 ・・・(2)
図2は、第3シールドガラス25を第2光学部材で構成したときの、各光学部材のパラメータを示す図である。図2に示すように、第3シールドガラス25の屈折率温度係数Δnのみが負の値となっている。
Δd∝p1× Δn1 × t1 / R12 + p2 × Δn2 × t2 / R22 + p3 × Δn3 ×t3/R32+p4×Δn4×t4/R42 + p5 × Δn5 × t5 / R52 and Δd 0 ( 2 )
2 is a diagram showing the parameters of the optical members when the third shield glass 25 is composed of the second optical member. As shown in FIG. 2, only the refractive index temperature coefficient Δn of the third shield glass 25 has a negative value.

ここで、レーザ光Lの集光位置が光学部材側に移動した状態を、集光位置変動量Δdが正であるとする。レーザ光Lの集光位置がワークW側に移動した状態を、集光位置変動量Δdが負であるとする。 Here, the state in which the focusing position of the laser light L has moved toward the optical member side is considered to have a positive focusing position fluctuation amount Δd. The state in which the focusing position of the laser light L has moved toward the workpiece W side is considered to have a negative focusing position fluctuation amount Δd.

図2に示すように、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第2シールドガラス24では、集光位置変動量が正の値となっている。そのため、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第2シールドガラス24では、熱レンズ効果により、レーザ光Lの集光位置が光学部材側に移動する。 2, the focal position fluctuation amount is a positive value in the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the second shield glass 24. Therefore, in the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the second shield glass 24, the focal position of the laser light L moves toward the optical component side due to the thermal lens effect.

一方、第3シールドガラス25では、集光位置変動量が負の値となっている。そのため、第3シールドガラス25では、熱レンズ効果により、レーザ光Lの集光位置がワークW側に移動する。 On the other hand, the focal position fluctuation amount is a negative value in the third shield glass 25. Therefore, in the third shield glass 25, the focal position of the laser light L moves toward the workpiece W due to the thermal lens effect.

そして、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25についてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値は、負の値となっており、Δd≦0という条件を満たす。 The sum of the light collection position fluctuations calculated for the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 is a negative value, which satisfies the condition Δd≦0.

ここで、集光位置変動量Δdのパラメータの1つである光吸収率pは、例えば、光学部材に汚れが付着した場合に大きくなる。つまり、光吸収率pは、時間経過とともに大きくなる傾向にある。そのため、集光位置変動量Δdは、初期状態において、Δd≦0となるように設定するのが好ましい。 Here, the light absorptance p i , which is one of the parameters of the light-focusing position fluctuation amount Δd, increases when, for example, dirt adheres to an optical member. In other words, the light absorptance p i tends to increase with time. Therefore, it is preferable to set the light-focusing position fluctuation amount Δd so that Δd≦0 in the initial state.

光吸収率は、光学部材の材料透過率、光学部材に施されたコーティング、光学部材に付着したダストや汚れ等に起因して変動する。例えば、光学部材の材料に含まれる不純物の量が多い場合には、光学部材の材料透過率が下がって光吸収率が大きくなる。また、光学部材に施されたARコーティングの透過率が低い場合、反射率が低い場合、又は吸収率が高い場合には、光吸収率が大きくなる。また、光学部材に付着したダストや汚れの量が多い場合には、光吸収率が大きくなる。光吸収率の値が大きいほど、レーザ光Lで加熱された光学部材の発熱量が大きくなる。 The light absorption rate varies depending on the material transmittance of the optical member, the coating applied to the optical member, dust and dirt attached to the optical member, etc. For example, when the amount of impurities contained in the material of the optical member is large, the material transmittance of the optical member decreases and the light absorption rate increases. In addition, when the transmittance, reflectance, or absorption rate of the AR coating applied to the optical member is low, the light absorption rate increases. In addition, when the amount of dust and dirt attached to the optical member is large, the light absorption rate increases. The higher the light absorption rate, the greater the amount of heat generated by the optical member heated by the laser light L.

また、本実施形態では、第2光学部材において、集光位置変動量Δdのパラメータの1つである集光半径Rを小さくするようにしている。具体的に、フォーカスレンズ23で集光されたレーザ光Lは、ワークWに向かって集光される。そのため、第3位置調整部33によって、第3シールドガラス25をワークWに向かって移動させると、第3シールドガラス25の表面におけるレーザ光Lの集光半径Rが小さくなる。 In this embodiment, the second optical member is configured to have a small focusing radius R i , which is one of the parameters of the focusing position fluctuation amount Δd. Specifically, the laser light L focused by the focus lens 23 is focused toward the workpiece W. Therefore, when the third shield glass 25 is moved toward the workpiece W by the third position adjustment unit 33, the focusing radius R 5 of the laser light L on the surface of the third shield glass 25 becomes small.

これにより、第3シールドガラス25の集光位置変動量を負の方向に大きくすることで、複数の光学部材においてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値を負の値とすることができる。 As a result, by increasing the amount of light focusing position variation of the third shield glass 25 in the negative direction, the sum of the amounts of light focusing position variation calculated for each of the multiple optical components can be made a negative value.

図3は、第1光学部材及び第2光学部材にレーザ光を出射した場合の集光位置差を示すグラフ図である。図3に示す例では、互いに光吸収率の異なる合成石英で形成された複数の第1光学部材と水晶で形成された第2光学部材とに対して、低出力(例えば、500W)のレーザ光Lと高出力(例えば、4000W)のレーザ光Lとをそれぞれ出射した場合について、集光位置差を比較している。 Figure 3 is a graph showing the difference in focusing position when laser light is emitted to a first optical member and a second optical member. In the example shown in Figure 3, the difference in focusing position is compared when low-power (e.g., 500 W) laser light L and high-power (e.g., 4000 W) laser light L are emitted to multiple first optical members made of synthetic quartz and a second optical member made of quartz, each of which has a different light absorption rate.

図3に示すように、合成石英で形成された第1光学部材では、レーザ光Lの低出力時と高出力時の集光位置の差が大きく、熱レンズ効果の影響が大きいことが分かる。一方、水晶で形成された第2光学部材では、集光位置の差が小さく、熱レンズ効果がキャンセルされていることが分かる。 As shown in Figure 3, in the first optical member made of synthetic quartz, the difference in the focusing position between low and high output of the laser light L is large, and it is clear that the influence of the thermal lens effect is large. On the other hand, in the second optical member made of quartz, the difference in the focusing position is small, and it is clear that the thermal lens effect is canceled.

以上のように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド20によれば、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第2シールドガラス24で発生する正の熱レンズ効果を、第3シールドガラス25で発生する負の熱レンズ効果で打ち消すことができる。これにより、レーザ光Lの集光位置の変動を抑えることができる。 As described above, with the laser processing head 20 according to this embodiment, the positive thermal lens effect generated in the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the second shield glass 24 can be cancelled out by the negative thermal lens effect generated in the third shield glass 25. This makes it possible to suppress fluctuations in the focusing position of the laser light L.

-変形例1-
図4に示すように、本変形例1では、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第3シールドガラス25は、集光位置変動量が正の値となっている。つまり、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、及び第3シールドガラス25が第1光学部材で構成される。
--Modification 1--
4 , in the present modified example 1, the light collection position fluctuation amount is a positive value for the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the third shield glass 25. In other words, the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, and the third shield glass 25 are configured as the first optical member.

一方、第2シールドガラス24は、集光位置変動量が負の値となっている。つまり、第2シールドガラス24が第2光学部材で構成される。 On the other hand, the second shield glass 24 has a negative light focusing position variation amount. In other words, the second shield glass 24 is composed of the second optical member.

そして、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25についてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値は、負の値となっており、Δd≦0という条件を満たす。 The sum of the light collection position fluctuations calculated for the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 is a negative value, which satisfies the condition Δd≦0.

なお、本変形例1において、第2シールドガラス24の表面におけるレーザ光Lの集光半径Rを小さくするためには、第2位置調整部32によって、第2シールドガラス24をワークWに向かって移動させればよい。 In addition, in this first modified example, in order to reduce the focused radius R4 of the laser light L on the surface of the second shielding glass 24, the second shielding glass 24 can be moved toward the workpiece W by the second position adjustment unit 32.

これにより、第2シールドガラス24の集光位置変動量を負の方向に大きくすることで、複数の光学部材においてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値を負の値とすることができる。 As a result, by increasing the amount of light focusing position variation of the second shield glass 24 in the negative direction, the sum of the amounts of light focusing position variation calculated for each of the multiple optical components can be made a negative value.

-変形例2-
図5に示すように、本変形例2では、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25は、集光位置変動量が正の値となっている。つまり、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25が第1光学部材で構成される。
--Modification 2--
5, in the present modified example 2, the collimator lens 22, the focus lens 23, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 have positive values of the light collection position fluctuation amount. In other words, the collimator lens 22, the focus lens 23, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 are configured as the first optical member.

一方、第1シールドガラス21は、集光位置変動量が負の値となっている。つまり、第1シールドガラス21が第2光学部材で構成される。 On the other hand, the first shield glass 21 has a negative light focusing position variation amount. In other words, the first shield glass 21 is composed of the second optical member.

そして、第1シールドガラス21、コリメータレンズ22、フォーカスレンズ23、第2シールドガラス24、及び第3シールドガラス25についてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値は、負の値となっており、Δd≦0という条件を満たす。 The sum of the light collection position fluctuations calculated for the first shield glass 21, the collimator lens 22, the focus lens 23, the second shield glass 24, and the third shield glass 25 is a negative value, which satisfies the condition Δd≦0.

ここで、本変形例2では、伝送ファイバ12から出射されたレーザ光Lは、第1シールドガラス21に向かって広がる。そのため、第1シールドガラス21の表面におけるレーザ光Lの集光半径Rを小さくするためには、第1位置調整部31によって、第1シールドガラス21を伝送ファイバ12の出射端に向かって移動させればよい。 Here, in the present modified example 2, the laser light L emitted from the transmission fiber 12 spreads toward the first shielding glass 21. Therefore, in order to reduce the focused radius R1 of the laser light L on the surface of the first shielding glass 21, the first shielding glass 21 may be moved toward the emission end of the transmission fiber 12 by the first position adjustment unit 31.

これにより、第1シールドガラス21の集光位置変動量を負の方向に大きくすることで、複数の光学部材においてそれぞれ算出した集光位置変動量の合計値を負の値とすることができる。 As a result, by increasing the amount of light focusing position variation of the first shield glass 21 in the negative direction, the sum of the amounts of light focusing position variation calculated for each of the multiple optical components can be made a negative value.

以上説明したように、本発明は、比較的簡単な構成で、熱レンズ効果による集光位置の変動を抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。 As described above, the present invention has a relatively simple configuration and is highly practical in that it can suppress fluctuations in the focusing position caused by the thermal lens effect, making it extremely useful and highly applicable in industry.

10 レーザ加工装置
12 伝送ファイバ
20 レーザ加工ヘッド
21 第1シールドガラス(第1光学部材)
22 コリメータレンズ(第1光学部材)
23 フォーカスレンズ(第1光学部材)
24 第2シールドガラス(第1光学部材)
25 第3シールドガラス(第2光学部材)
31 第1位置調整部
32 第2位置調整部
33 第3位置調整部
L レーザ光
W ワーク
10 Laser processing device 12 Transmission fiber
20 Laser processing head
21 First shield glass (first optical member)
22 Collimator lens (first optical member)
23 Focus lens (first optical member)
24 Second shield glass (first optical member)
25 Third shield glass (second optical member)
31 First position adjustment unit 32 Second position adjustment unit 33 Third position adjustment unit L Laser light W Workpiece

Claims (4)

伝送ファイバから入射されるレーザ光をワークに出射するレーザ加工ヘッドであって、
前記伝送ファイバよりも出射側に配置され、光軸方向に沿って並ぶ複数の光学部材を備え、
前記複数の光学部材は、屈折率温度係数が正の材料で形成された第1光学部材と、屈折率温度係数が負の材料で形成された第2光学部材とを含み、
前記レーザ加工ヘッドの内部に設置される前記複数の光学部材のうち、最下流の前記光学部材には前記第1光学部材が設置され、
前記光学部材の識別番号i、該光学部材の光吸収率p、該光学部材の屈折率温度係数Δn、該光学部材の厚みt、該光学部材の表面における前記レーザ光の集光半径R初期状態における集光位置変動量Δdが、
Δd∝p×Δn×t/R +・・・+p×Δn×t/R 且つ
Δd
という条件を満たす
ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
A laser processing head that outputs laser light incident from a transmission fiber to a workpiece,
a plurality of optical members arranged on an output side of the transmission fiber and aligned along an optical axis;
the plurality of optical members include a first optical member formed of a material having a positive refractive index temperature coefficient and a second optical member formed of a material having a negative refractive index temperature coefficient;
Among the plurality of optical members installed inside the laser processing head, the first optical member is installed as the most downstream optical member,
The identification number i of the optical member, the light absorptance p i of the optical member, the refractive index temperature coefficient Δn i of the optical member, the thickness t i of the optical member, the focusing radius R i of the laser light on the surface of the optical member, and the focusing position fluctuation amount Δd in the initial state are expressed as
Δd ∝ p 1 × Δn 1 × t 1 / R 1 2 + ... + p i × Δn i × t i / R i 2 and Δd < 0
A laser processing head characterized by satisfying the above conditions.
請求項1において、
前記第2光学部材は、水晶で形成される
ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In claim 1,
A laser processing head, wherein the second optical member is formed of quartz crystal.
請求項1又は2において、
前記第1光学部材の数は、前記第2光学部材の数よりも多い
ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In claim 1 or 2,
A laser processing head, characterized in that the number of the first optical members is greater than the number of the second optical members.
請求項1乃至3のうち何れか1つにおいて、
前記第2光学部材を光軸方向に移動させる位置調整部を備えた
ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In any one of claims 1 to 3,
A laser processing head comprising a position adjustment unit that moves the second optical member in an optical axis direction.
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